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《西南石油大学》 2015年
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波动方程地震照明模拟与观测系统优化设计方法研究

刘伟  
【摘要】:在复杂地表和复杂地下构造地区,即“双复杂”地区,由于散焦、聚焦及高速层屏蔽等因素的影响,导致了地震采集资料信噪比低、地震成像困难。地震照明分析技术是研究观测系统对勘探目标的地震波振幅或波场的模型分析技术。地震照明不仅可以得到震源激发的地震波场在地下介质中的分布情况,即单向照明,而且还可以得到能反映震源激发和检波点接收效应的双向照明。因此,基于地震照明分析的观测系统优化设计,可以提高观测系统对勘探目标的探测能力,进而改善其成像质量。虽然国内外众多学者已经对地震照明分析技术进行了大量的研究工作,但是至今人们对地震照明仍然缺乏统一的认识,使得地震照明分析缺乏应用标准,工业应用效果和认可度参差不齐。地震照明已经从射线追踪理论时代逐渐进入波动方程理论时代。但是由于单程波方程本身的缺陷,使之不能满足高度复杂区域的地震照明分析。相比之下,双程波动方程具有模拟精度高、波场信息丰富、不受构造倾角限制等优点,能够适应任何复杂地质条件下的地震照明分析,故基于双程波动方程的地震照明分析技术具有巨大的应用前景。本文在前人研究的基础上,从地震照明的基本原理和概念出发,对现有主要的地震照明函数进行了系统的归纳总结,并提出了多种分类标准;认为任何地震照明函数都可以归属于只考虑震源或检波器的单向照明和同时考虑震源与检波器的双向照明两大类地震照明。从地震波理论出发,推导了单程波动方程和双程声波方程波动方程,并详细研究了它们的数值模拟方法,为基于波动方程的地震照明分析技术研究奠定了的方法基础。对基于波动方程的单向照明和双向照明进行了详细的研究,模型计算结果表明:单程波动方程自身的缺陷,导致基于单程波方程的地震照明能量不准确,特别是在具有强散射损失的盐下区域;双程波动方程能够获得精确的地震照明,但是照明结果中会出现明显的上下行波场能量的干涉现象,干扰地震照明分析。为此,本文针对双程波动方程震源单向照明,采用坡印廷矢量将地震波场分解为只包含上行波的反射波场和只包含下行波的入射波场,根据分解后的地震波场分别定义了两个地震照明函数,即入射照明和反射照明。数值模拟结果显示,基于坡印廷矢量波场分离方法是完全正确的;入射照明比单向照明更能反映下行地震波场的能量分布特征。针对单程波动方程双向照明进行了改进,包括XIE-WU双向照明和DUC-DC双向照明;改进的双向照明不仅提高单程波动方程双向照明的精度,而且还克服了XIE-WU双向照明不能满足不同检波器应该接收到不同地震波场的缺陷。此外,本文还研究了基于双聚焦原理的双聚焦照明分析技术,并提出了观测系统的叠前偏移分辨率函数。最后,采用波动方程地震照明进行了观测系统优化设计研究,实现了面向勘探目标的地表最有利激发接收区域的优选、加密区组合震源地震波聚焦方向设计和满足叠前偏移分辨率要求的观测系统参数优化设计。
【关键词】:地震照明 单程波动方程 双程波动方程 单向照明 双向照明 双聚焦照明 观测系统优化设计
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:P631.4
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-9
  • 第1章 绪论9-19
  • 1.1 研究目的与意义9-10
  • 1.2 国内外研究概况10-17
  • 1.2.1 波动方程数值模拟研究概况10-13
  • 1.2.2 波动方程地震照明研究概况13-14
  • 1.2.3 地震观测系统优化设计研究概况14-17
  • 1.3 研究内容17
  • 1.4 研究成果和创新点17-19
  • 第2章 地震照明分析原理19-32
  • 2.1 地震照明的概念19-20
  • 2.2 地震照明的分类20-21
  • 2.3 地震照明函数与计算21-30
  • 2.4 地震照明分析的应用30-32
  • 第3章 波动方程理论和波动方程数值模拟方法32-73
  • 3.1 波动方程理论33-40
  • 3.1.1 弹性波波动方程33-35
  • 3.1.2 双程声波波动方程35-36
  • 3.1.3 单程波动方程36-40
  • 3.2 双程声波波动方程数值模拟40-58
  • 3.2.1 交错网格差分方程的建立40-43
  • 3.2.2 完全匹配层吸收边界条件43-46
  • 3.2.3 模型实验46-58
  • 3.3 单程波动方程数值模拟58-73
  • 3.3.1 波场延拓算子58-61
  • 3.3.2 零偏移距数值模拟61-63
  • 3.3.3 非零偏移距数值模拟63-66
  • 3.3.4 模型实验66-73
  • 第4章 波动方程地震波单向照明模拟与分析73-86
  • 4.1 波动方程单向照明73-78
  • 4.1.1 单程波动方程单向照明模拟方法73-74
  • 4.1.2 双程波动方程单向照明模拟方法74-75
  • 4.1.3 数值模拟结果分析75-78
  • 4.2 改进的双程波动方程单向照明78-86
  • 4.2.1 地震波场分解方法79-80
  • 4.2.2 入射照明计算方法80-81
  • 4.2.3 反射照明计算方法81
  • 4.2.4 照明结果对比分析81-86
  • 第5章 波动方程地震波双向照明模拟与分析86-99
  • 5.1 改进的地震波双向照明87-93
  • 5.1.1 改进的XIE-WU双向照明87-88
  • 5.1.2 改进的DUC-DC双向照明88-89
  • 5.1.3 模型对比分析89-93
  • 5.2 双聚焦照明93-99
  • 5.2.1 双聚焦照明原理93-95
  • 5.2.2 模型计算95-99
  • 第6章 基于波动方程地震照明的观测系统优化设计99-124
  • 6.1 有利激发接收区域优化设计99-103
  • 6.1.1 地震照明统计原理100
  • 6.1.2 实例分析100-103
  • 6.2 组合震源激发参数优化设计103-110
  • 6.2.1 组合震源激发参数优化原理103-106
  • 6.2.2 实例分析106-110
  • 6.3 双聚焦观测系统参数优化设计110-123
  • 6.3.1 叠前偏移分辨率函数111
  • 6.3.2 实例分析111-123
  • 6.4 小结123-124
  • 第7章 论文总结124-128
  • 7.1 完成的工作124-125
  • 7.2 结论与认识125-126
  • 7.3 进一步研究展望126-128
  • 致谢128-129
  • 参考文献129-136
  • 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果136

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